Original Paper 58
Yoshida M, Muraki N, Tajiri M, Hengphasatporn K, Sue K, Kubo T, Akashi S, Shigeta Y, Kambe T, and Furukawa Y*
“Oxidative denaturation of Cu/Zn-superoxide dismutase associated with neurodegenerative diseases”
Protein Science 2025 Vol.34 e70339
SOD1の変性は筋萎縮性側索硬化症（ALS）やパーキンソン病で報告されています。私たちは今回、SOD1が酸化されることで変性に至る流れを明らかにしました。SOD1はホモ二量体として機能していますが、二量体界面近くにあるCys111が過酸化水素によりスルホン酸へ酸化され、親水性が上がることで単量体化が進みます。続いて、単量体化によってタンパク質の内部が露出し、疎水的なコア形成に関わるCys6が酸化されて親水的なスルホン酸となることで、疎水性コアが崩れてSOD1が変性することを明らかにしました。本研究は、2024年度修士修了の吉田萌乃さんを中心に、多くの先生方との共同研究で行いました。
Misfolding of SOD1 has been reported in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and Parkinson’s disease. Here, we elucidate the mechanism of SOD1 denaturation triggered by oxidation. SOD1 functions as a homodimer; oxidation of Cys111 near the dimer interface by hydrogen peroxide converts the thiol to a sulfonic acid, increases hydrophilicity, and promotes monomerization. Monomerization then exposes the protein interior, rendering Cys6 – normally part of the hydrophobic core – susceptible to oxidation to a hydrophilic sulfonic acid, which disrupts the core and leads to SOD1 denaturation. This study was led by Ms. Moeno Yoshida, who completed her master’s degree in 2024, in collaboration with many colleagues.
Review Paper 14
Furukawa Y*
“Chapter 1: Structure and Function of Cu/Zn-superoxide Dismutase”
Copper in Biology: Molecular Structures, Cellular Processes and Living Systems 2025 Vol. 3, pp. 3-25 (Furukawa Y and Fujieda N Eds.)
大阪公立大学の藤枝伸宇先生と共に 『Copper in Biology』 という書籍を編集し、Royal Society of Chemistry から出版いたしました（Prefaceはこちら）。その中の第１章を担当し、これまでに明らかにされてきた Cu/Zn-superoxide dismutase（Cu/Zn-SOD）の構造と機能について概説しています。Cu/Zn-SODは、1969年に Prof. Irwin Fridovich と Prof. Joe McCord によって発見・報告されて以来、レドックス生物学において中心的役割を担う金属タンパク質として位置づけられてきました。さらに、1993年には家族性筋萎縮性側索硬化症（ALS）の原因遺伝子・タンパク質として注目を集め、分子進化学の分野においても、酸素濃度の劇的な変遷を刻むタンパク質として重要な解析対象となっています。発見からすでに60年近くが経過しましたが、Cu/Zn-SODは今なお色褪せることのない魅力を放ち続けています。
Together with Professor Nobutaka Fujieda of Osaka Metropolitan University, I co-edited a book entitled “Copper in Biology”, which was published by the Royal Society of Chemistry (also see the Preface). In this volume, I contributed Chapter 1, providing an overview of the structure and function of Cu/Zn-superoxide dismutase (Cu/Zn-SOD) as revealed to date. Since its discovery and first report in 1969 by Prof. Irwin Fridovich and Prof. Joe McCord, Cu/Zn-SOD has been recognized as a central metalloprotein in redox biology. In 1993, it drew further attention as the gene/protein responsible for familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Moreover, in the field of molecular evolution, Cu/Zn-SOD has served as an important subject of analysis, reflecting the dramatic changes in atmospheric oxygen levels throughout Earth’s history. Although nearly six decades have passed since its discovery, Cu/Zn-SOD continues to captivate researchers with its enduring scientific significance.
Original Paper 57
Furukawa Y*, Megata M, Shintani A, Sue K, Morohoshi T, Akutsu M, and Muraki N
“Cu/Zn-superoxide dismutase naturally fused with a β-propeller lactonase in Deinococcus radiodurans”
Journal of Biological Chemistry 2025 Vol.301 110499
D. radioduransは高放射線・紫外線耐性を示す変わった細菌で、そのゲノム配列にコードされていたDrSODと名付けたタンパク質は、Cu/Zn-SODドメインとβ-プロペラドメインが融合したユニークな特徴を持っていることが予想されました。そこで、構造と機能を解析した結果、DrSODはCu/Zn-SODによるスーパーオキシドの不均化活性に加えて、β-プロペラドメインではカルシウムイオンを介した2-クマラノンの加水分解活性を示すことが明らかとなりました。紫外線耐性との直接の関係は見られなかったものの、二重の酵素活性をもつ興味深いタンパク質であり、その生理的役割は今後の研究に期待されます。本研究は目加田君（2022年修士課程修了）によって始められました。
Deinococcus radiodurans is an unusual bacterium that exhibits remarkable resistance to high doses of radiation and ultraviolet light. Among its genome-encoded proteins, we identified a protein designated DrSOD, which was predicted to have a unique architecture combining a Cu/Zn-SOD domain with a β-propeller domain. Structural and functional analyses revealed that DrSOD not only possesses superoxide dismutase activity through its Cu/Zn-SOD domain but also exhibits calcium-dependent hydrolytic activity toward 2-coumaranone via its β-propeller domain. Although no direct link to UV resistance was observed, DrSOD represents an intriguing protein with dual enzymatic activities, and its physiological role remains an exciting subject for future investigation. This study was initiated by Mr. Megata, who completed his master’s degree in 2022.
Original Paper 56
Mori K, Kuramochi T, Matsusaki M, Hashiguchi Y, Okumura M, Saio T, Furukawa Y, Arai K, and Muraoka T*
“Metal-Responsive Up-Regulation of Bifunctional Disulfides for Suppressing Protein Misfolding and Promoting Oxidative Folding”
Angewandte Chemie International Edition 2025 e202502187
東京農工大学の村岡先生と森先生は、タンパク質の酸化的フォールディングを促進する新規化合物「cyclam-SS」を開発し、銅イオンと結合させることでその効果を示しました。当研究室の橋口君（2024年度修士課程修了）とともに、cyclam-SSがALS変異型SOD1の異常なオリゴマー化を抑制することを確認し、協力させていただきました。
Prof. Muraoka and Dr. Mori at Tokyo University of Agriculture and Technology developed a novel compound, cyclam-SS, which promotes oxidative protein folding by binding to copper ions. Together with our lab member, Mr. Hashiguchi (graduated in 2024), we collaborated to demonstrate that cyclam-SS can suppress abnormal oligomerization of ALS-associated mutant SOD1.
Original Paper 55
Shino Y, Muraki N, Kobatake Y, Kamishina H, Kato R, and Furukawa Y*
“Disulfide-mediated oligomerization of mutant Cu/Zn-superoxide dismutase associated with canine degenerative myelopathy”
Protein Science 2024 Vol. 33, e5210
筋萎縮性側索硬化症（ALS）の一部は、銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1）遺伝子の変異によって発症することが知られています。同様に、イヌにおいてもSOD1変異が原因となり、変性性脊髄症（DM）と呼ばれるALSに類似した神経変性疾患が発症します。このため、DMはALSの自然発症モデルとして注目されています。私たちの研究室では、岐阜大学の神志那先生（現・KyotoAR）や小畠先生との共同研究を通じ、イヌのSOD1がDMの原因変異により凝集するメカニズムを解明しました。さらに、変異型SOD1の凝集を抑制する抗体の開発にも成功し、その抗体と変異型SOD1との複合体の結晶構造解析を通じて、凝集抑制の仕組みを原子レベルで明らかにしました。この成果は、修士2年の篠君の努力によるものです。
Some familial cases of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are known to be caused by mutations in the gene encoding copper-zinc superoxide dismutase (SOD1). Similarly, in dogs, mutations in SOD1 lead to a neurodegenerative disease called degenerative myelopathy (DM), which exhibits similarities to ALS, making it a valuable natural model for ALS. In collaboration with Profs. Kamishina (now at KyotoAR) and Kobatake from Gifu University, our lab has elucidated the mechanism by which SOD1 aggregates due to DM-causing mutations in dogs. Additionally, we successfully developed an antibody that specifically recognizes and suppresses aggregation of the mutated SOD1. Based upon our crystal structural analysis of the complex between the antibody and mutant SOD1, we have discussed at an atomic level how the SOD1 aggregation can be suppressed. This achievement is the result of dedicated efforts by Mr. Shino, a second-year master’s student.
Review Paper 13
古川 良明*
「銅シャペロンタンパク質CCSによる細胞内銅動態の制御メカニズム」
生体の科学 2024 Vol. 75, pp. 122-126
京都大学の神戸大朋先生と一緒に、「生命現象を駆動する生体内金属動態の理解と展開」という特集を企画させていただきました。私は銅シャペロンタンパク質に関する章を担当し、特に、CCSによるSOD1への銅イオン供給メカニズムを解説しています。また、SOD1への銅イオン供給以外にも、CCSが細胞内銅動態の制御にどのように関わっているのかについても解説し、CCSが細胞内の銅イオンレベルを感知するといった役割も紹介しました。
Original Paper 54
Amesaka H, Hara M, Sakai Y, Shintani A, Sue K, Yamanaka T, Tanaka SI*, and Furukawa Y*
“Engineering a monobody specific to monomeric Cu/Zn-superoxide dismutase associated with amyotrophic lateral sclerosis”
Protein Science 2024 Vol. 33, e4961
遺伝性の筋萎縮性側索硬化症（ALS）の発症原因として考えられている変異型銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1）ですが、ホモ二量体として存在するSOD1の単量体化が引き金となって凝集し、運動ニューロンに毒性を発揮しているのではないかという提案があります。しかし、単量体化するのはごく一部であることから、その検出が極めて困難でした。そこで、京都府立大学の田中俊一先生と雨坂心人さんと協力して、単量体SOD1に特異的に結合する人工タンパク質（モノボディー）を開発しました。私たちが開発したモノボディーMb(S4)は、正常なSOD1ホモ二量体とは結合せず、単量体化したSOD1のみと結合する高い選択性を持っている点が大きな特徴です。実際、変異型SOD1を発現させた培養細胞や出芽酵母・大腸菌から、単量体SOD1を検出することに成功しました。今後は、モデルマウスやALS患者の検体からSOD1単量体の検出にも挑戦し、ALSの病理解明や早期診断などに貢献したいと考えています。
Mutant Cu/Zn-superoxide dismutase (SOD1) is considered to be a cause of a familial form of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). SOD1 exists as a tight homodimer, but the monomerization of SOD1 has been proposed to trigger aggregation, exerting toxicity on motor neurons. However, since only a fraction monomerizes, their detection has been extremely challenging. In collaboration with Professor Shun-ichi Tanaka and Mr. Hiroshi Amesaka from Kyoto Prefectural University, we have developed an artificial protein (monobody) that specifically binds to monomeric SOD1. Our developed monobody, Mb(S4), is characterized by its high conformational selectivity; it does not bind to the normal SOD1 dimer, only to the monomerized SOD1. Indeed, we have successfully detected monomeric SOD1 in cultured cells, budding yeast, and E. coli expressing mutant SOD1. Going forward, we aim to detect monomeric SOD1 in model mice and ALS patients with our monobody, contributing to the elucidation of ALS pathology and the development of early diagnostics.
Review Paper 12
古川 良明*
「筋萎縮性側索硬化症における銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼの病理学的役割」
脳神経内科 2023 Vol. 99, pp. 776-781
脳神経内科という雑誌の「金属と神経疾患」という特集に寄稿させていただきました。この雑誌のターゲットはおそらく神経内科医などの医師だと思いますが、タンパク質科学的な視点からSOD1-ALSの病理について、その問題点などをまとめました。
解説記事５
古川 良明*
「化学を超えて理解する「金属」酵素の世界」
化学と教育 2023 Vol. 71, pp. 298-301
Original Paper 53
Furukawa Y*, Shintani A, Narikiyo S, Sue K, Akutsu M, and Muraki N
“Characterization of a novel cysteine-less Cu/Zn-superoxide dismutase in Paenibacillus lautus missing a conserved disulfide bond”
Journal of Biological Chemistry 2023 Vol. 299, 105040
Copper-zinc superoxide dismutase (CuZnSOD) is an enzyme that catalyzes the disproportionation of superoxide and is conserved from bacteria to humans. It binds copper and zinc ions and also forms an intramolecular disulfide bond. We have previously shown that the intramolecular disulfide bond plays a critical role in both structural stability and enzymatic activity and is therefore highly conserved in CuZnSOD. However, a close examination of CuZnSODs in the NCBI database revealed that some CuZnSODs in Paenibacillus (Gram-positive bacteria), named PaSOD, lack cysteines and are expected to have a novel domain structure. Therefore, in this study, we investigated the expression, activity and structure of PaSOD and discussed the physiological significance of the lack of cysteines in CuZnSOD in Paenibacillus.
銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（CuZnSOD）はスーパーオキシドの不均化を促進する酵素で、バクテリアからヒトまで保存されています。銅イオンと亜鉛イオンを結合し、分子内ジスルフィド結合を形成することで、タンパク質としての構造が安定化され、酵素活性を発揮します。私たちはこれまでに、分子内ジスルフィド結合が構造安定性や酵素活性に極めて重要な役割を果たしており、CuZnSODに高度に保存されていることを示してきました。しかし、米国NCBIのデータベースに登録されたCuZnSODを精査したところ、一部のPaenibacillus（グラム陽性菌）におけるCuZnSOD（PaSODと命名）はシステインを持たず、これまでに知られていない新たなドメイン構造を有していることが予想されました。そこで本研究では、PaSODの発現・活性・構造を明らかにし、なぜ、システインを持っていないのか、その意義について議論しています。
Original Paper 52
Hashimoto K, Watanabe S, Akutsu M, Muraki N, Kamishina H, Furukawa Y, and Yamanaka K*
“Intrinsic structural vulnerability in the hydrophobic core induces species-specific aggregation of canine SOD1 with degenerative myelopathy–linked E40K mutation”
Journal of Biological Chemistry 2023 Vol. 299, 104798
Press Release from Keio Univ.
Press Release from Nagoya Univ.
日本経済新聞
SOD1 mutations are one of the causes of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), and mutations (E40K) in the SOD1 gene in dogs also cause degenerative myelopathy (DM), a motor neuron disease similar to ALS. Like ALS, mutation-induced amino acid substitution (E40K) is considered to affect the structure of canine SOD1 (cSOD1) and cause the disease; however, the details are not clear. In this study, Prof. Koji Yamanaka’s group at Nagoya University found that when methionine, the 117th amino acid of cSOD1, is replaced with leucine, the structural abnormality of cSOD1 caused by E40K mutation is not observed. Therefore, our group performed crystallographic analysis to clarify the reason why the E40K-cSOD1 structural abnormality is not observed by the M117L mutation. As a result, the methionine is located in the hydrophobic core of the cSOD1 structure but also creates a void in its vicinity. On the other hand, substitution of leucine, a hydrophobic amino acid slightly larger in size than methionine, was found to fill the void exactly (see figure below), which is considered to result in the structural stabilization of cSOD1. Since the 117th amino acid in human SOD1 is leucine, canine SOD1 is more structurally unstable than human SOD1 and also more vulnerable to amino acid substitutions such as E40K.
SOD1遺伝子変異は筋萎縮性側索硬化症（ALS）の発症原因の一つですが、イヌにおいてもSOD1遺伝子に変異（E40K）があると、ALSに類似した運動ニューロン疾患である変性性脊髄症（DM）を発症します。ALSと同じように、変異に伴うアミノ酸置換（E40K）がイヌSOD1（cSOD1）の構造に影響を及ぼし、DMを発症させると考えられていますが、詳細は明らかでありません。今回、名古屋大学の山中宏二先生のグループは、cSOD1の117番目のアミノ酸であるメチオニンをロイシンに置換すると、E40K変異によるcSOD1の構造異常が見られなくなることを見出しました。そこで、私たちのグループでは、M117L変異がcSOD1の構造に及ぼす影響を明らかにするために、結晶構造解析を行いました。その結果、メチオニンはcSOD1構造のコアとなる疎水的な領域に位置しており、その近傍に空隙が生じていることがわかりました。一方で、メチオニンよりもサイズが少し大きな疎水性アミノ酸であるロイシンに置換すると、その空隙がピタリと埋まり（下図）、cSOD1のコア構造が安定化されることが考えられました。ヒトのSOD1は117番目のアミノ酸がもともとロイシンであることを考えると、イヌのSOD1はヒトのSOD1よりも構造的に不安定で、E40Kのようなアミノ酸置換によって構造が異常化しやすいのではないかと提案することができました。
Original Paper 51
Furukawa Y*, Matsumoto K, Nakagome K, Shintani A, and Sue K
“Zinc-mediated interaction of copper chaperones through their heavy-metal associated domains”
Journal of Trace Elements in Medicine and Biology 2023 Vol.75, 127111
Our study on copper chaperones has been published in Journal of Trace Elements in Medicine and Biology (IF = 3.995). A copper chaperone for superoxide dismutase, CCS, is known to be responsible for delivering a copper ion to superoxide dismutase (SOD1), but we have shown that CCS can interact with another copper chaperone, HAH1, through a zinc ion. This study has actually a long history (almost 10 years?) in our lab and is an achievement of the struggles by Mr. Nakagome and Ms. Matsumoto. It is quite interesting that distinct copper-delivering proteins (i.e. copper chaperones) interact with each other through a zinc (but not copper) ion. Nonetheless, the interaction is relatively weak, and its physiological relevance remains obscure. We still have a lot of work to do!
銅シャペロンに関する私たちの研究が、Journal of Trace Elements in Medicine and Biology (IF = 3.995)に掲載されました。CCSという銅シャペロンタンパク質は、SOD1に銅イオンを運ぶ役割を担っていますが、別の銅シャペロンタンパク質であるHAH1と亜鉛イオンを介して相互作用することを見出しました。この研究を始めてから10年近く経ってしまいましたが、卒業生の中込君や松本さんの奮闘もあって、なんとか形にすることができました。銅イオンを運ぶタンパク質が亜鉛イオンを介して相互作用するというのは非常に面白いと思うのですが、相互作用は比較的弱く、その生理的意義は不明のままです。まだまだやるべきことが残っているということでしょうか。
Original Paper 50
Moriyama Y, Ogata G, Nashimoto H, Sawamura S, Furukawa Y, Hibino H, Kusuhara H, and Einaga Y*
“A rapid and simple electrochemical detection of the free drug concentration in human serum using boron-doped diamond electrodes”
Analyst 2022 Vol. 147, pp. 4442-4449
Review Paper 11
Furukawa Y*
“A pathological link between dysregulated copper binding in Cu/Zn-superoxide dismutase and amyotrophic lateral sclerosis”
Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition 2022 Vol. 71, pp. 73-77
This review summarizes the copper and zinc binding process of SOD1 in vivo, based upon which possible dysregulation of such metal binding processes is discussed as a pathomechanism of SOD1-related amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Furthermore, a copper chaperone for SOD1, which is responsible for supplying a copper ion to SOD1 in vivo, is discussed as a potential target for developing ALS therapeutics.
本総説では、生体内におけるSOD1への銅・亜鉛イオンの結合過程についてまとめたうえで、金属イオン結合過程における制御異常が、SOD1の関与する筋萎縮性側索硬化症（ALS）の病態を形成している可能性について述べています。また、SOD1に銅イオンを供給する銅シャペロンが、ALS治療薬を開発する上での重要なターゲットになりうることを議論しています。
Original Paper 49
Imamura Y, Okuzumi A, Yoshinaga S, Hiyama A, Furukawa Y, Miyasaka T, Hattori N, and Nukina N*
“Quantum-dot-labeled synuclein seed assay identifies drugs modulating the experimental prion-like transmission”
Communications Biology 2022 Vol. 5, 636
本論文は、貫名 信行 先生（同志社大学）のグループで進められている研究で、パーキンソン病などの原因タンパク質であるα-synucleinの線維が生体内でどのように伝播していくのかを理解するための研究で、その伝播を制御する薬剤に関する結果が報告されています。私たちは、本論文で用いられたα-synuclein線維の構造情報について、FT-IRなどを使って検討させていただきました。
Original Paper 48
Tajiri M, Aoki H, Shintani A, Sue K, Akashi S*, and Furukawa Y*
“Metal distribution in Cu/Zn-superoxide dismutase revealed by native mass spectrometry”
Free Radical Biology and Medicine 2022 Vol. 183, pp. 60-68
SOD1はホモ二量体として存在する金属タンパク質で、それぞれのサブユニットでは、活性部位として機能する銅イオンを結合するとともに、タンパク質構造の安定化を担う亜鉛イオンが結合します。一方、生体試料から単離・精製すると、化学量論量とは異なる割合で銅・亜鉛イオンを結合しているSOD1（金属異常型）が得られることがよくあります。特に、筋萎縮性側索硬化症（ALS）では、SOD1と金属イオンとの結合親和性が低下し、タンパク質構造の異常化（ミスフォールド）が進行することで、疾患が発症するのではないかと提案されています。そこで、横浜市立大学の明石知子教授・田尻道子博士と共同研究を進め、銅・亜鉛イオンがSOD1分子内にどのように分布して結合しているのかをネイティブ質量分析により検討したところ、それぞれの金属イオンがそれぞれの結合部位に正確に結合するには、SOD1に保存されたジスルフィド結合が還元されている必要があることがわかりました。つまり、ALSに見られる金属異常型SOD1は、ジスルフィド形成の制御異常によって生じると考えられ、特に、細胞内レドックスの状態変化がALSの発症に関与しているのではないかと推察されます。
Original Paper 47
Kimura S, Kamishina H, Hirata Y, Furuta K, Furukawa Y, Yamato O, Maeda S, and Kamatari YO*
“Novel oxindole compounds inhibit the aggregation of amyloidogenic proteins associated with neurodegenerative diseases”
Biochimica et Biophysica Acta 2022 Vol.1866, 130114
Press Release from Gifu Univ.
Press Release from Keio Univ.
岐阜新聞
岐阜大学の鎌足先生との共同研究で、オキシインドール構造からなる一連のGIF化合物が、イヌの変性性脊髄症やヒトの筋萎縮性側索硬化症（ALS）の原因タンパク質であるSOD1の凝集を抑制することを示すことができました。また、プリオン病の原因タンパク質であるプリオンタンパク質(PrP)を含む複数の神経変性疾患原因タンパク質においても、凝集抑制効果がみられたことから、GIF化合物はタンパク質の異常型構造と相互作用することで凝集抑制に効果を発揮し、ヒトや動物の神経変性疾患の治療への応用が期待されます。私たちは、ヒトSOD1の野生型およびALS変異型タンパク質を調製し、凝集抑制試験に提供させていただきました。
Original Paper 46
Furukawa Y*, Shintani A, Kokubo T
“A dual role of cysteine residues in the maturation of prokaryotic Cu/Zn-superoxide dismutase”
Metallomics 2021 Vol.13, mfab050
Previously, our group showed that the conserved disulfide bond of Cu/Zn-superoxide dismutase plays critical roles in the structural stabilization. In our newly published study with E. coli Cu/Zn-superoxide dismutase (SodC), we have revealed that prior to the disulfide formation, the thiolates of the Cys residues can capture copper ions with extremely high affinity. We hence suppose that the conserved Cys residues play a dual role: acquisition of a copper ion and formation of the disulfide bond.
銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼには、高度に保存された分子内ジスルフィド（S-S）結合が形成していますが、私たちはS-S結合の形成がタンパク質構造の安定化に必須であることをこれまでに示してきました。今回の研究では、大腸菌由来の銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SodC）に着目し、S-S結合が形成する前のシステイン残基におけるチオレート基が、銅イオンや亜鉛イオンの獲得に重要であることを示しました。つまり、SodCのシステイン残基は、「金属イオンの獲得」とS-S結合形成を通じた「タンパク質構造の安定化」という、二重の役割を有していることを提案しています。
